1、第九章 地下水资源开发利用工程第一节第一节 水源地的选择及其允许开采量的确定水源地的选择及其允许开采量的确定一、地下水水源地的选择一、地下水水源地的选择1.集中式供水水源地的选择集中式供水水源地的选择 应考虑以下技术和经济方面的条件应考虑以下技术和经济方面的条件为满足取水量要求和节省建井投资，供水水源地为满足取水量要求和节省建井投资，供水水源地(或开采地段或开采地段)应尽可能选择在含水层层数多、厚度大、渗透性强、分布广的应尽可能选择在含水层层数多、厚度大、渗透性强、分布广的地段上。地段上。如冲积扇的中、上游砾石带和轴部、冲积平原的古河床；厚如冲积扇的中、上游砾石带和轴部、冲积平原的古河床；厚度
2、较大的层状或似层状裂隙岩溶含水层；延续深远的断裂及其度较大的层状或似层状裂隙岩溶含水层；延续深远的断裂及其它脉状基岩含水带。它脉状基岩含水带。为增加开采补给量、保证水源地的长期均衡开采，水源地应尽为增加开采补给量、保证水源地的长期均衡开采，水源地应尽可能选择在可以最大限度拦截区域地下径流的地段。接近补给可能选择在可以最大限度拦截区域地下径流的地段。接近补给水源和能充分夺取各种补给量地段。水源和能充分夺取各种补给量地段。如基岩地区的水源地常常选择在集水条件最好的区域性阻水如基岩地区的水源地常常选择在集水条件最好的区域性阻水界面的上游一侧；在松散地层分布区，水源地应尽可能靠近补界面的上游一侧；在松
3、散地层分布区，水源地应尽可能靠近补给地下水的河流岸边；在岩溶区，水源地最好选择在区域地下给地下水的河流岸边；在岩溶区，水源地最好选择在区域地下水径流的排泄区附近。水径流的排泄区附近。为保证水源地投产后能按预计开采动态正常运转和为避免过量为保证水源地投产后能按预计开采动态正常运转和为避免过量开采产生的种种有害后果，在选择水源地时，要从区域水资源开采产生的种种有害后果，在选择水源地时，要从区域水资源综合平衡观点出发，尽量避免出现新旧水源之间、工业和农业综合平衡观点出发，尽量避免出现新旧水源之间、工业和农业用水之间，供水与矿山排水之间的矛盾，也即新建水源地应尽用水之间，供水与矿山排水之间的矛盾，也即
4、新建水源地应尽量远离原有的取水点或排水，减少互相干扰。量远离原有的取水点或排水，减少互相干扰。为保证取出水的质量，水源地应选择在不易引起水质污染为保证取出水的质量，水源地应选择在不易引起水质污染(或或恶化恶化)的地段上。的地段上。如：把水源地选择在远离城市或工矿排污区的上游；远离已如：把水源地选择在远离城市或工矿排污区的上游；远离已污染污染(或天然水质不良或天然水质不良)的地表水体或含水层地段；避开易于使的地表水体或含水层地段；避开易于使水井淤塞、涌沙或水质长期混浊的流砂层或溶岩充填带。为减水井淤塞、涌沙或水质长期混浊的流砂层或溶岩充填带。为减少垂向污水渗入的可能性，最好把水源地选择在含水层上
5、部有少垂向污水渗入的可能性，最好把水源地选择在含水层上部有厚度较大的稳定隔水层分布的地方。厚度较大的稳定隔水层分布的地方。水源地应选在不易引起地面沉陷、塌陷、地裂等有害工程地水源地应选在不易引起地面沉陷、塌陷、地裂等有害工程地质作用地段上。质作用地段上。在选择水源地时，还要从经济上、安全上和扩建前景方面考在选择水源地时，还要从经济上、安全上和扩建前景方面考虑，在满足水量、水质要求的前景下，为节省建设投资，水源虑，在满足水量、水质要求的前景下，为节省建设投资，水源地应尽可能靠近供水区，为降低取水成本。水源地应选择在地地应尽可能靠近供水区，为降低取水成本。水源地应选择在地下水位埋浅或自流地段；河谷
6、水源地要考虑水井的淹没问题；下水位埋浅或自流地段；河谷水源地要考虑水井的淹没问题；人工开挖的大口井取水工程，则要考虑井的稳固性。可有多水人工开挖的大口井取水工程，则要考虑井的稳固性。可有多水源地选择时，未来扩大开采的前景条件。源地选择时，未来扩大开采的前景条件。2.小型分散区式水源地的选择小型分散区式水源地的选择 集中式也适合山区基岩裂隙水小型水源地的选择。只是由集中式也适合山区基岩裂隙水小型水源地的选择。只是由于基岩区地下水分布不均匀，水井的布置主要取决强含水裂于基岩区地下水分布不均匀，水井的布置主要取决强含水裂隙带的分布位置。隙带的分布位置。布井地段地下水位埋深，以及布井地段上布井地段地下
7、水位埋深，以及布井地段上游有无较大补给面积地下汇水条件以及夺取开采补给量的条游有无较大补给面积地下汇水条件以及夺取开采补给量的条件，也是山区、选井位置必须考虑的条件。件，也是山区、选井位置必须考虑的条件。二、水源地允许开采量的确定二、水源地允许开采量的确定1.允许开采量的概念允许开采量的概念允许开采量：通过技术经济合理的取水构筑物，在整个开允许开采量：通过技术经济合理的取水构筑物，在整个开采期内出水量不会减少，动水位不超过设计要求，水质和采期内出水量不会减少，动水位不超过设计要求，水质和水湿变化在允许范围内，不影响已建水源地正常开采，不水湿变化在允许范围内，不影响已建水源地正常开采，不发生危害
8、性的工程地质现象的前提下，单位时间内从文地发生危害性的工程地质现象的前提下，单位时间内从文地质单元或取水地段中能够取得的水量。单位质单元或取水地段中能够取得的水量。单位m3/h、m3/d、m3/a。开采量：只反映取水工程的出水能力。开采量不准大于允开采量：只反映取水工程的出水能力。开采量不准大于允许开采量。许开采量。2.2.允许开采量的组成允许开采量的组成 由于开采量的出现，破坏了地下水补给与消耗的天然平衡，其新的动平衡为：thQkQpQpQbQb)()(（9-1）Qb开采前的天然补给量；Qb开采时的补给增量；Qp开采前的天然排泄量；QP开采时天然排泄量的减少量；Qk人工开采量；含水层给水度；
9、A开采时引起水位降的面积；t开采时间；h在t 时间段内开采影响范围内的平均水位降。由于开采前的天然排泄量与补给量在一个水文周期内是近似相等的，即 Qb=Qp，则(9-1)简化为 thQpQbQk(9-2)即开采量由Qb、Qp、th三部分组成 开采原则：合理地夺取补给增量Qb，但不能影响已建水原地的开采，地表水 的补给量也应考虑是否允许利用。最大限度地截取开然排泄量的减少量Qp。这部分量实质上就是由取水构筑物截获的天然补给量。它的最 大限度等于天然排泄量，接近于天然补给量。慎重地动用储存量，它是含水层中永文储存量的一部分。3.允许开采量的精度分级允许开采量的精度分级允许开采量按其精度分允许开采量
10、按其精度分ABCDE五级，五级，A级最高。级最高。E级：一般用经验参数估算，用于对区域地下水的概略了解。级：一般用经验参数估算，用于对区域地下水的概略了解。D级：用于规划阶段水源地的选择。要求在初步圈定的富水地级：用于规划阶段水源地的选择。要求在初步圈定的富水地段上，根据小比例尺水文地质测绘的资料，估算允许开采量。段上，根据小比例尺水文地质测绘的资料，估算允许开采量。C级：用于初步设计阶段。要求在水文地质初勘的基础上，用级：用于初步设计阶段。要求在水文地质初勘的基础上，用带观测孔的抽水试验或枯水期地下水动态观测资料，结合初步带观测孔的抽水试验或枯水期地下水动态观测资料，结合初步设计方案计算允许
11、开采量，作为给水工程初步设计的依据。设计方案计算允许开采量，作为给水工程初步设计的依据。B级：用于设计阶段。要求在水文地质详勘的基础上，根据级：用于设计阶段。要求在水文地质详勘的基础上，根据一个水文年以上的地下水动态资料和互阻抽水试验或试验性一个水文年以上的地下水动态资料和互阻抽水试验或试验性开采抽水试验，运用数学模型，结合具体开采方案，确定允开采抽水试验，运用数学模型，结合具体开采方案，确定允许开采量，论证保证程度。预测开采条件下水位、水量、水许开采量，论证保证程度。预测开采条件下水位、水量、水质的变化，提出保证和改善措施，作为给水工程施工图纸设质的变化，提出保证和改善措施，作为给水工程施工
12、图纸设计依据。计依据。A级：用于开采阶段水源地改造、扩建及保护。要求掌握三级：用于开采阶段水源地改造、扩建及保护。要求掌握三年以上连续的开采动态资料，具有为解决开采水源地具体课年以上连续的开采动态资料，具有为解决开采水源地具体课题所进行的专门研究和试验成果。题所进行的专门研究和试验成果。地下水具有流动性和可恢复性特点，对大中型水源地来说，地下水具有流动性和可恢复性特点，对大中型水源地来说，供水的保证率是至关重要的。作为供水的保证率是至关重要的。作为B级精度、要求采用级精度、要求采用97%的保证率。的保证率。4.允许开采量的计算允许开采量的计算水量平衡法水量平衡法 是运用物质不灭原理，对取水地段
13、影响范围内是运用物质不灭原理，对取水地段影响范围内(平衡区平衡区)在一在一定时间段定时间段(平衡期，一般不少于一年平衡期，一般不少于一年)中，对地下水补给量，储中，对地下水补给量，储存量和排泄量之间数量转换关系进行水量平衡计算，来确定地存量和排泄量之间数量转换关系进行水量平衡计算，来确定地下水的允许开采量。下水的允许开采量。开采条件下，补给量开采条件下，补给量Qb、排泄量、排泄量Qp和储存量之关系和储存量之关系thAQpQb(9-3)如果要求稳定型开采动态如果要求稳定型开采动态(即储存量不补不动用即储存量不补不动用)，则最大允许开采量为则最大允许开采量为 如果是合理的疏干型如果是合理的疏干型(
14、消耗型消耗型)开采动态，则最大允许开开采动态，则最大允许开采量为采量为QbQbQpQbQkmax(9-4)TkSAQbQbQkmaxmax 365.maxtSAQbQb m3/d(9-5)Smax最大允许降深 m t取水工程服务年限 a，一般取 50100 年 补给量Qb的组成项目虽然很多，而且要准确的测得这些数据往往也是困难的，但对某一个具体的地区来说，常常并不是包含全部项目，有的甚至非常简单，应按具体条件的分析建立具体的水均衡方程式。如补给量与储存量的计算方法如下：A.地下径流量地下径流量QQ=KJBH或Q=KJBM (9-6)Q地下径流量m3/d K渗透系数m/dJ水力坡度 B计算断面宽
15、度mH(或M)无压(或承压)含水层厚度mB.大气降水入渗量 采用降水入渗系数计算时 Qb=Ax/365 (9-7)Qb降水入渗补给量，m3/d,A降水入渗面积 m2 年均降水入渗系数 x多年平均降水量或按要求保证的年降水量 m/a，在地下径流条件差，以降水入渗补给为主的潜水区，可用水位升幅计算降水入渗量(即储存水位升幅)：365hAQ (m3/d)(9-8)h为一年内每次降水引起的地下水水位升幅之和。C.C.河、渠入渗补给量河、渠入渗补给量 可根据河、渠的上、下游断面的流量 差确定，也可用入渗公式如平面流公式 2hwHLhwHBQb (9-9)B河、渠水对供水井群的补给宽度 m L井群至水边的
16、直线水平距离 m H河、渠水位至含水层底板高度 m hw供水井群动水位高度 m D.D.灌溉水入渗补给量灌溉水入渗补给量 用地下水资料计算时 Qb=hA1/365 (9-10)Qb灌溉水入渗补给量 m3/d 给水度 h灌溉引起的年地下水位升幅 m/a A灌溉面积 m2 利用灌溉定额资料计算时Qb=mA1/365 (9-11)入渗系数 m灌溉定额m3/a 对潜水含水层而言，当潜水面下降一个单位时，单位面对潜水含水层而言，当潜水面下降一个单位时，单位面积柱体含水层水位波动带上所排出的动水的体积称灌溉面积柱体含水层水位波动带上所排出的动水的体积称灌溉面积。积。E.相邻含水层垂向越流补给量相邻含水层垂
17、向越流补给量 Qb=A（H2-H1）=AK（H2-H1）/mQb相邻含水层垂向越流补给量m3/dA越流补给面积m2越流系数1/dK越流层垂向渗透系数m/dm越流层的厚度mH2相邻含水层的水位mH1开采层的水位或开采漏斗的平均水位mF1含水层的容积储存量含水层的容积储存量Wv=V给水度 V含水层的体积m3G.承压含水层的弹性储存量承压含水层的弹性储存量WcWc=AShp(m3)(9-14)A计算面积m2S储水系数hp承压含水层自顶板算起的压力水头高度m开采试验法开采试验法 由抽水试验确定允许开采量A.稳定状态，稳定状态，如图9-1。按设计需水量进行长时间抽水，当主井的动水位在允许降深之内，并能保
18、持稳定，观测的动水位也能保持稳定，停抽水后水位又能较快地恢复到原始水位，表明抽水试验已达稳定状态，抽水量小于或等于开采时的补给量，按这样的抽水量是有保证的，这时实际抽水量就是允许开采量。抽水试验应在旱季进行，能满足则在补给季节更能满足。这样确定偏保守偏保守。稳定状态判定：在枯水期无补给时稳定状态判定：在枯水期无补给时。对抽水叠加流场稳定状态的判断，必须排除天然疏干场的干扰。ho为天然疏干流场动水位。按抽水前实测日降幅推算，h1为天然流场和抽水流场的叠加动水位。抽水由初始时刻t。开始至t1和t3时刻，抽水流场的动水位s1和S3开始匀速下降，其速率与天然疏于流场的动水位S1和S3保持一致。水位降过
19、程线S1S2，S3S4段的斜率保持不变(即s/d为常数)，并与天然疏干流场的S1S2，S3S4段平行，表明抽水流场处于稳定状态。水位恢复阶段由t4时刻开始至t5时刻，抽水流场的恢复水位(即动水位)开始与天然疏干流场的动水位重复，表明其动水位已恢复到天然疏干状态。总结：枯水季抽水试验稳定状态的判断，有赖于对抽水枯水季抽水试验稳定状态的判断，有赖于对抽水前天然疏干流场水位降速与降幅的确定。前天然疏干流场水位降速与降幅的确定。B.非稳定状态非稳定状态 按设计需水量在枯水季长时间抽水时，水位不稳定，特别是观测孔中的水位一直持续下降，降落漏斗不断扩展；停抽后水位虽有恢复，但始终达不到原始水位。说明抽水量
20、大于补给量，已消耗了储存量，按这样的抽水量开采是没有保证的。这种情况下确定允许开采量，可以通过分析抽水过程曲线，求出抽水条件下的补给量作为允许开采量，或者考虑利用暂时储存量和旱季补给量作为允许开采量。为讨论方便，假设抽水时天然流场处于基本稳定状态，地下水水位变幅很小，可不考虑，如图9-2。抽水初期，主井水位下降较快，随即趋于稳定，而观测井中水位仍继续下降，降落漏斗扩展。后期，出现主井水位与观测井水位同步等幅下降，说明抽水量大于补给量。取任一时段t的抽水产生水位降S，若无其它消耗，则水平衡关系为：(Qk-Qb)t=AS (9-15)tsAQbQk(9-16)tsAQkQb(9-17)为求Qb需先
21、求A(用两次抽水试验求)设两次不同抽水试验的Qk1、Qk2和相应 、则 11ts、21ts 221211tsQbQktsAQbQk 则 211122122212122121112212tststsQkQkQkssssssQkQkQkQbtstsQkQkA上述是采用枯水季抽水试验，补给量的计算是保守的。用样方法求得两季的补给量Qb雨，再分别雨季和旱季的时段长短t1、t2分配到全年，得：Qb1、Qb2雨季和旱季的补给量m3/dt1、t2雨季和旱季的时间dQb一年中雨季和旱季补给量m3/d3652211tQtQQbbb (9-22)用这样的补给量Qb1、Qb2作为允许开采量时，还应计算旱季末的最大水
22、位降Smax(用旱季补少开多)看是否超过最大允许降深(每一地下水都有一最大允许降深)SmaxS1雨季时的水位降Qk允许开采量试验法特点：允许开采量比较可靠；但抽水试验需跨越旱、允许开采量比较可靠；但抽水试验需跨越旱、雨两季，花费太大。只适宜水质地质条件复杂的中小型水源雨两季，花费太大。只适宜水质地质条件复杂的中小型水源地。地。C.解析法解析法是根据水文地质条件和布井方案，选用地下水动力学中相应的井流理论公式计算允许开采量。井距大，各水井之间相互影响极小时，用单井理论公式计算各井的出水量，其总和作为允许开采量。各水井间相互影响时，采用水位削减法等井群干扰计算公式，按布井方案计算出水量作为允许开采
23、量。或将不规的布井方案概化为规则的理想“大井”，用“大井”法计算出水量作为井群的允许开采量。解析法计算井的出水量作为评价允许开采量依据时，用解析法计算井的出水量作为评价允许开采量依据时，用水平衡法确定取水地段的补给量以论证其保证程度。水平衡法确定取水地段的补给量以论证其保证程度。4.允许开采量的计算允许开采量的计算水量平衡法水量平衡法 是运用物质不灭原理，对取水地段影响范围内是运用物质不灭原理，对取水地段影响范围内(平衡区平衡区)在一在一定时间段定时间段(平衡期，一般不少于一年平衡期，一般不少于一年)中，对地下水补给量，储中，对地下水补给量，储存量和排泄量之间数量转换关系进行水量平衡计算，来确
24、定地存量和排泄量之间数量转换关系进行水量平衡计算，来确定地下水的允许开采量。下水的允许开采量。开采条件下，补给量开采条件下，补给量Qb、排泄量、排泄量Qp和储存量之关系和储存量之关系thAQpQb(9-3)如果要求稳定型开采动态如果要求稳定型开采动态(即储存量不补不动用即储存量不补不动用)，则最大允许开采量为则最大允许开采量为 如果是合理的疏干型如果是合理的疏干型(消耗型消耗型)开采动态，则最大允许开开采动态，则最大允许开采量为采量为QbQbQpQbQkmax(9-4)TkSAQbQbQkmaxmax 365.maxtSAQbQb m3/d(9-5)Smax最大允许降深 m t取水工程服务年限
25、 a，一般取 50100 年 开采试验法开采试验法 由抽水试验确定允许开采量A.稳定状态，稳定状态，如图9-1。按设计需水量进行长时间抽水，当主井的动水位在允许降深之内，并能保持稳定，观测的动水位也能保持稳定，停抽水后水位又能较快地恢复到原始水位，表明抽水试验已达稳定状态，抽水量小于或等于开采时的补给量，按这样的抽水量是有保证的，这时实际抽水量就是允许开采量。抽水试验应在旱季进行，能满足则在补给季节更能满足。这样确定偏保守偏保守。稳定状态判定：在枯水期无补给时稳定状态判定：在枯水期无补给时。对抽水叠加流场稳定状态的判断，必须排除天然疏干场的干扰。ho为天然疏干流场动水位。按抽水前实测日降幅推算
26、，h1为天然流场和抽水流场的叠加动水位。抽水由初始时刻t。开始至t1和t3时刻，抽水流场的动水位s1和S3开始匀速下降，其速率与天然疏于流场的动水位S1和S3保持一致。水位降过程线S1S2，S3S4段的斜率保持不变(即s/d为常数)，并与天然疏干流场的S1S2，S3S4段平行，表明抽水流场处于稳定状态。水位恢复阶段由t4时刻开始至t5时刻，抽水流场的恢复水位(即动水位)开始与天然疏干流场的动水位重复，表明其动水位已恢复到天然疏干状态。总结：枯水季抽水试验稳定状态的判断，有赖于对抽水枯水季抽水试验稳定状态的判断，有赖于对抽水前天然疏干流场水位降速与降幅的确定。前天然疏干流场水位降速与降幅的确定。
27、B.非稳定状态非稳定状态 按设计需水量在枯水季长时间抽水时，水位不稳定，特别是观测孔中的水位一直持续下降，降落漏斗不断扩展；停抽后水位虽有恢复，但始终达不到原始水位。说明抽水量大于补给量，已消耗了储存量，按这样的抽水量开采是没有保证的。这种情况下确定允许开采量，可以通过分析抽水过程曲线，求出抽水条件下的补给量作为允许开采量，或者考虑利用暂时储存量和旱季补给量作为允许开采量。为讨论方便，假设抽水时天然流场处于基本稳定状态，地下水水位变幅很小，可不考虑，如图9-2。抽水初期，主井水位下降较快，随即趋于稳定，而观测井中水位仍继续下降，降落漏斗扩展。后期，出现主井水位与观测井水位同步等幅下降，说明抽水
28、量大于补给量。取任一时段t的抽水产生水位降S，若无其它消耗，则水平衡关系为：(Qk-Qb)t=AS (9-15)tsAQbQk(9-16)tsAQkQb(9-17)为求Qb需先求A(用两次抽水试验求)设两次不同抽水试验的Qk1、Qk2和相应 、则 11ts、21ts 221211tsQbQktsAQbQk 则 211122122212122121112212tststsQkQkQkssssssQkQkQkQbtstsQkQkA上述是采用枯水季抽水试验，补给量的计算是保守的。用样方法求得两季的补给量Qb雨，再分别雨季和旱季的时段长短t1、t2分配到全年，得：Qb1、Qb2雨季和旱季的补给量m3/
29、dt1、t2雨季和旱季的时间dQb一年中雨季和旱季补给量m3/d3652211tQtQQbbb (9-22)用这样的补给量Qb1、Qb2作为允许开采量时，还应计算旱季末的最大水位降Smax(用旱季补少开多)看是否超过最大允许降深(每一地下水都有一最大允许降深)SmaxS1雨季时的水位降Qk允许开采量试验法特点：允许开采量比较可靠；但抽水试验需跨越旱、允许开采量比较可靠；但抽水试验需跨越旱、雨两季，花费太大。只适宜水质地质条件复杂的中小型水源雨两季，花费太大。只适宜水质地质条件复杂的中小型水源地。地。D.数值法数值法 数值法是运用数值模拟技术，量化地下补给、径流、数值法是运用数值模拟技术，量化地
30、下补给、径流、排泄的水文机理，以获取地下水的各种补给量，界揭排泄的水文机理，以获取地下水的各种补给量，界揭示含水层内部的水量分配及其调蓄能力，为最佳取水示含水层内部的水量分配及其调蓄能力，为最佳取水地段和布井方案的选择、允许开采量的确定提供依据。地段和布井方案的选择、允许开采量的确定提供依据。原理：用分割近似原理，将非线性的偏微分方程分割原理：用分割近似原理，将非线性的偏微分方程分割后用近似的线性代数方程求解。分割越细，精度越高。后用近似的线性代数方程求解。分割越细，精度越高。C.解析法解析法是根据水文地质条件和布井方案，选用地下水动力学中相应的井流理论公式计算允许开采量。井距大，各水井之间相
31、互影响极小时，用单井理论公式计算各井的出水量，其总和作为允许开采量。各水井间相互影响时，采用水位削减法等井群干扰计算公式，按布井方案计算出水量作为允许开采量。或将不规的布井方案概化为规则的理想“大井”，用“大井”法计算出水量作为井群的允许开采量。解析法计算井的出水量作为评价允许开采量依据时，用解析法计算井的出水量作为评价允许开采量依据时，用水平衡法确定取水地段的补给量以论证其保证程度。水平衡法确定取水地段的补给量以论证其保证程度。数学模拟的选择数学模拟的选择 工程中出于经济技术考虑，一般以二维数学模型工程中出于经济技术考虑，一般以二维数学模型为主。为主。a.松散沉积物分布的平原地区，一般采用非
32、均质二松散沉积物分布的平原地区，一般采用非均质二维地下水流模型。维地下水流模型。b.基岩地区用非均质各向异性二维地下水流模型。基岩地区用非均质各向异性二维地下水流模型。c.存在多层含水层结构时，采用存在多层含水层结构时，采用准三维准三维流模型，即流模型，即用平面二维流刻画含水层，以垂向一维流描述含水用平面二维流刻画含水层，以垂向一维流描述含水层之间的作用。层之间的作用。例如：非均质二维非稳定流地下水模型：例如：非均质二维非稳定流地下水模型：02011000,210ttyxtyxqynCOSyHTyxnCOSxHTttyxtyxHtyxHttGyxyxHtyxHtttHSWyHTyxHTxxtt
33、yx平衡基本项平衡基本项(T、S项项)：系方程中带有水头函数系方程中带有水头函数H的偏导项。表径渗流场的偏导项。表径渗流场内各平衡单元内及其相互间的水量分配与交换，内各平衡单元内及其相互间的水量分配与交换，构成泛定方程的基本平衡条件。含构成泛定方程的基本平衡条件。含T的水量渗透基的水量渗透基本项是指渗流场水量的侧向交换条件，反映了含本项是指渗流场水量的侧向交换条件，反映了含水层几何形态特征，含水介质的渗透性及非物质水层几何形态特征，含水介质的渗透性及非物质性以及渗流运动状态。含性以及渗流运动状态。含S的水量储存与释放基本的水量储存与释放基本项是指渗流场水量的储存与消耗。项是指渗流场水量的储存与
34、消耗。垂向交换项垂向交换项W：包括源包括源(或汇或汇)项，指计算域内各井的抽项，指计算域内各井的抽(或注或注)水强度、垂向入渗补给和消耗项以水强度、垂向入渗补给和消耗项以及垂向越流项。计算中是给定的已知函及垂向越流项。计算中是给定的已知函数。数。初始条件：指开采初始条件下的地下水初始条件：指开采初始条件下的地下水头，为已知。头，为已知。边界条件：在二维中仅指侧向边界条件。边界条件：在二维中仅指侧向边界条件。水文地质条件概化水文地质条件概化用抽象的数学模型解决复杂的水文地质问题时，必用抽象的数学模型解决复杂的水文地质问题时，必须按数学方法的表达形式，对实际问题进行概化，须按数学方法的表达形式，对
35、实际问题进行概化，以满足解决数学问题的形式。进行允许开采量数值以满足解决数学问题的形式。进行允许开采量数值法计算时对水文地质条件的概化，主要表现三方面：法计算时对水文地质条件的概化，主要表现三方面：含水层结构概化：含水层结构概化：包括含水层空间形态和非均质包括含水层空间形态和非均质参数分区的概化。参数分区的概化。地下水流态的概化：地下水流态的概化：开采条件下地下水流态比天开采条件下地下水流态比天然流场中复杂得多，特别是在开采井群周围出现种然流场中复杂得多，特别是在开采井群周围出现种种复杂的流态。视情况概化。种复杂的流态。视情况概化。边界条件的概化：边界条件的概化：概化时，首先应根据区域水文地质
36、条件和勘探工概化时，首先应根据区域水文地质条件和勘探工程的控制情况，选择计算域的边界，给出边界节点程的控制情况，选择计算域的边界，给出边界节点的平面坐标，确定其水力性质及有无水量交换的平面坐标，确定其水力性质及有无水量交换(隔水、隔水、供水或排泄供水或排泄)及交换方式。然后，根据动态观测或抽及交换方式。然后，根据动态观测或抽水试验资料，用数理统计方法概化出边界水位或流水试验资料，用数理统计方法概化出边界水位或流量的变化规律，并按计算时段要给出边界节点的水量的变化规律，并按计算时段要给出边界节点的水位或单宽流量。位或单宽流量。在选择边界时，应尽量避免将计算边界置于开在选择边界时，应尽量避免将计算
37、边界置于开采井群的附近，并尽可能选择天然地质界线作为计采井群的附近，并尽可能选择天然地质界线作为计算边界，以减少勘探工程的控制量。算边界，以减少勘探工程的控制量。求参与模型的识别、校正：求参与模型的识别、校正：数值法求参，是在已知水头函数的条件下，利用数值法求参，是在已知水头函数的条件下，利用水头函数解算地下水平衡方程。而水头函数是一个多水头函数解算地下水平衡方程。而水头函数是一个多元函数，它是平衡域内地质条件和平衡条件的综合表元函数，它是平衡域内地质条件和平衡条件的综合表征，可起到对地质模型的各要素进行全面验证的作用。征，可起到对地质模型的各要素进行全面验证的作用。求参方法求参方法直接直接间
38、接间接直接求参法：直接求参法：把水头函数作为已知量把水头函数作为已知量(即即渗流场内任一时刻任一节点的水头值均是渗流场内任一时刻任一节点的水头值均是给定的给定的)，用反演计算直接解出模型中各方，用反演计算直接解出模型中各方程参数程参数T、S、等。此法要求很多水位等。此法要求很多水位观测数据和观测点数量，在工程实践中很观测数据和观测点数量，在工程实践中很少采用。少采用。间接求参法间接求参法(即试算法即试算法)。计算时给出参数的初值及其计算时给出参数的初值及其变化范围，用正演计算求各节点的水头函数，将计算值变化范围，用正演计算求各节点的水头函数，将计算值与实测值进行拟合比较，通常以数学模型中的两个
39、基本与实测值进行拟合比较，通常以数学模型中的两个基本项的拟合作为拟合基本要求，即水头梯度场的拟合项的拟合作为拟合基本要求，即水头梯度场的拟合(固定固定时段，对不同时段的水头梯度场进行计算值与实测值的时段，对不同时段的水头梯度场进行计算值与实测值的拟合拟合)和水头降和水头降(升升)速场的拟合固定空间位置，对不同速场的拟合固定空间位置，对不同空间位置上的水头降空间位置上的水头降(升升)场进行计算值与实测值的拟场进行计算值与实测值的拟合。通过不断调整初值参数、反复拟合，满足误差为合。通过不断调整初值参数、反复拟合，满足误差为止。止。允许开采量计算允许开采量计算 允许开采量计算是在求参的基础上，结合选
40、定的开允许开采量计算是在求参的基础上，结合选定的开采地段及其布井方案，并以允许最大降深作为约束条件采地段及其布井方案，并以允许最大降深作为约束条件进行计算。进行计算。F.地下水文分析法地下水文分析法 此法是采用测流方法计算地下水在某一区域一此法是采用测流方法计算地下水在某一区域一年内总的流量，它如果接近补给量或排泄量，则年内总的流量，它如果接近补给量或排泄量，则可用来作为该区域的允许开采量。此法只用于一可用来作为该区域的允许开采量。此法只用于一些特定地区，如岩溶管道流区、基岩山区等地。些特定地区，如岩溶管道流区、基岩山区等地。岩溶管道截流总和法：岩溶管道截流总和法：岩溶地区多为管道流，地下水资
41、源大部分集岩溶地区多为管道流，地下水资源大部分集中于岩溶管道中，而管道外岩体的裂隙或溶隙中中于岩溶管道中，而管道外岩体的裂隙或溶隙中储存的水量甚微。因此，岩溶管道中的地下径流储存的水量甚微。因此，岩溶管道中的地下径流量，可以表征为该区地下水的开采量量，可以表征为该区地下水的开采量Qk，即，即，取各暗河枯季的流量较有保证。取各暗河枯季的流量较有保证。niiKQQ1地下径流模数法地下径流模数法 此法是当暗河管道埋藏很深，无法测流时采用。此法是当暗河管道埋藏很深，无法测流时采用。认为一个地区地下暗河的流量与其补给面积成正比，认为一个地区地下暗河的流量与其补给面积成正比，且在条件相似的地区地下径流模数
42、且在条件相似的地区地下径流模数M是相近似的。是相近似的。为此在研究区域选择其中的一两条暗河，测得其流为此在研究区域选择其中的一两条暗河，测得其流量量Qi和其相应的补给面积和其相应的补给面积Ai，计算出地下径流模数，计算出地下径流模数M，再乘以全区的补给面积，再乘以全区的补给面积A，便可求得整个研究区，便可求得整个研究区域的地下径流量作为地下水开采量域的地下径流量作为地下水开采量(采用枯水期测流采用枯水期测流)。AiQiM (作为整个区比流量)Qk=M.A 流量过程线分割法流量过程线分割法 枯季山区河流的地下水径流量枯季山区河流的地下水径流量(即基流量即基流量)，基，基本上代表了地下水排泄区的流
43、量，可以作为评价本上代表了地下水排泄区的流量，可以作为评价允许开采量的依据。允许开采量的依据。原理方法：利用水文站的河流水文图原理方法：利用水文站的河流水文图(即流量过程即流量过程图图)结合具本的水文地质条件，对全区全部地表水结合具本的水文地质条件，对全区全部地表水的流量过程线进行深入分析，把补给河水的地下的流量过程线进行深入分析，把补给河水的地下径流量分割出来，就可获得全区的地下水径流量，径流量分割出来，就可获得全区的地下水径流量，作为计算允许开采量。作为计算允许开采量。水文分析法中的频率分析水文分析法中的频率分析1.水文分析法都是用求得的地下径流量作为区水文分析法都是用求得的地下径流量作为
44、区域地下水的可开采量。域地下水的可开采量。2.丰水年偏大丰水年偏大,平水年和枯水年偏小。平水年和枯水年偏小。3.对丰水年、平水年和枯水年地下径流量进对丰水年、平水年和枯水年地下径流量进行频率分析，求出不同保证率的数据。行频率分析，求出不同保证率的数据。第二节第二节 地下取水构筑物的适用条件地下取水构筑物的适用条件一、正确选择取水构筑类型一、正确选择取水构筑类型(井型井型)1.选型关系到能否以最少投资取得最大出水量的问题。2.关系到水源地建成后能否长期正常运转和低成本取水的问题。3.在埋桩条件复杂的基岩裂隙岩溶地区，正确选型常常是成井的关键。二、选型的影响因素二、选型的影响因素1.主要决定于含水
45、层(带)的空间分布特点以及含水层(带)的埋藏深度、厚度和富水性能；2.与设计需水量大小，预计的施工方法，选用的抽水设备类型等有关。我国目前常用的取水构筑物和适用条件如表9-1。3.分类：地下水取水构筑物可分为垂直的(井)和水平的(渠)两种类型。某些情况下两种方法联合使用，如大口井与渗渠相结合的取水形式。4.正确选用取水构筑物的类型，对提高出水量、改善水质和降低工程造价影响很大，因此，除按9-1表适用条件选用外，还应考虑设备材料供应情况、施工条件和工期长短等因素。第三节第三节 管井管井 管井由其井壁和含水层中进水部分均为管状结构而得名。通管井由其井壁和含水层中进水部分均为管状结构而得名。通常由凿
46、井机械开凿，故俗称机井，应用最广。常由凿井机械开凿，故俗称机井，应用最广。A 管井的型式和构造管井的型式和构造由井室由井室1，井壁管，井壁管2，过滤管，过滤管3，沉淀管，沉淀管4填充物：填充物：粘土封闭粘土封闭 规格砾石规格砾石1 井室井室地下式地下式地面式地面式a.作用：作用：(1)安放设备安放设备;(2)保护管井不受外保护管井不受外界水污染界水污染;(3)维修、保护设备维修、保护设备 b.要求：要求：(1)井头部高出地面井头部高出地面0.30.5m c.(2)井口用粘土或水泥等不透水材料井口用粘土或水泥等不透水材料封闭，长度不少于封闭，长度不少于3m d.(3)维修、保护方便维修、保护方便
47、e.(4)采光、通风、防水、防潮设施采光、通风、防水、防潮设施 井室根据所选用的水泵类型的不同分为：井室根据所选用的水泵类型的不同分为：深井泵房：深井泵由泵体装有传动轴的扬水管、泵座和深井泵房：深井泵由泵体装有传动轴的扬水管、泵座和电动机组成电动机组成。1）地面式：用于大流量）地面式：用于大流量2）半地下式）半地下式3）地下式：用于城镇、厂区）地下式：用于城镇、厂区深井潜水泵房：深井潜水泵其水泵和电机一起浸没在动水位以内。由深井潜水泵房：深井潜水泵其水泵和电机一起浸没在动水位以内。由潜水电动机潜水电动机(包括电缆包括电缆)、水泵和扬水管组成。井室只要安装闸门等附属、水泵和扬水管组成。井室只要安
48、装闸门等附属设备即可，实际相当于一个阀门井，控制设备安装于室外，用于小流设备即可，实际相当于一个阀门井，控制设备安装于室外，用于小流量管井。量管井。卧式水泵房：采用卧式水泵的管井，其井室可以与卧式水泵房：采用卧式水泵的管井，其井室可以与泵分建成合建、分建的井室类似阀门井、合建的井泵分建成合建、分建的井室类似阀门井、合建的井室类似深井泵房，卧式水泵受其吸水高度的限制，室类似深井泵房，卧式水泵受其吸水高度的限制，常常用于地下动水位较多的情况，且井室大多设地常常用于地下动水位较多的情况，且井室大多设地下。下。其它形式的井室：主要有自流井室或虹吸方式取水，其它形式的井室：主要有自流井室或虹吸方式取水，
49、适用于地下水位很高的管井，大多为地下式，其结适用于地下水位很高的管井，大多为地下式，其结构同阀门井相似。还有装有空气扬水装置的管井，构同阀门井相似。还有装有空气扬水装置的管井，设气水分离器，出水通常直接流入清水池，结构同设气水分离器，出水通常直接流入清水池，结构同深井泵房相似。深井泵房相似。2.井壁管井壁管a.目的：目的：1)加固井壁加固井壁 2)隔离水质不良好的或水头隔离水质不良好的或水头较低的含水层的水进入井中较低的含水层的水进入井中。b.要求：要求：1）应具有足够的强度应具有足够的强度，使其能够经受地层，使其能够经受地层和人工填砾充填物的侧压力；和人工填砾充填物的侧压力；2）尽可能不弯曲
50、尽可能不弯曲；3）内壁平滑、圆整内壁平滑、圆整以利安装抽水设备和井的清洗、以利安装抽水设备和井的清洗、维修。维修。c.材料：金属材料材料：金属材料 150m也可采用非金属材料也可采用非金属材料d.下管：分段，不分段（加固井壁）下管：分段，不分段（加固井壁）分段钻井时井壁管的构造分段钻井时井壁管的构造如图如图9-6，先钻井径为，先钻井径为d1，深度，深度h1，下井壁，下井壁1，然后缩小孔径至，然后缩小孔径至d2钻深钻深h2、下井避管、下井避管2，再缩至，再缩至d3钻深钻深h3、下井壁管、下井壁管3，依此下，依此下去。要求：两井壁管段应重叠去。要求：两井壁管段应重叠35m，其环形空间用水泥封填。，
